폴리 디메틸 실록산 (PDMS) 공동 축류 초점 장치를 사용하여 이중 에멀젼 생성
2015년 12월 25일
미세유체 이중 에멀젼 생성에는 일반적으로 패턴이 있는 습윤성 또는 맞춤형으로 제작된 유리 구성 요소가 있는 장치가 포함됩니다. 여기에서는 표면 처리나 복잡한 제조 공정이 필요하지 않고 14μm까지 이중 에멀젼을 생산할 수 있는 모든 폴리디메틸실록산(PDMS) 이중 에멀젼 발생기의 제조 및 테스트에 대해 설명합니다.
이 절차의 전반적인 목표는 이중 에멀젼을 생성하기 위해 동축 유동 집중을 사용하는 모든 폴리 디메틸 수복산 미세유체 장치를 구축하고 테스트하는 것입니다. 이 방법은 효소의 유도 진화 및 희귀 표현형 식별과 같이 초고처리량 스크리닝이 필요한 화학 및 생물학의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 기술의 주요 장점은 특수 표면 처리 없이 연질 리소그래피 제작을 사용하여 이중 에멀젼 발생기를 신속하게 생산할 수 있다는 것입니다.
시작하려면 2층 제작을 위한 미세유체 구조를 설계합니다. AutoCAD 소프트웨어를 사용하여 여기에 표시된 참조에 설명된 대로 10미크론 해상도의 회로 기판 필름에 설계를 인쇄합니다. 미리 세척된 3인치 직경의 실리콘 웨이퍼 중앙에 SU 8 30 35를 1-2밀리리터 바르고 스핀 코더에 놓고 척에 부착합니다.
500RPM에서 20초 동안 회전한 다음 30RPM에서 2000초 동안 회전합니다. 웨이퍼를 제거하고 섭씨 135도의 핫 플레이트에서 30분 동안 굽습니다. 다음 단계로 이동하기 전에 웨이퍼를 실온으로 식히십시오.
이제 코팅된 웨이퍼를 대조된 LED 조명 아래의 첫 번째 레이어의 마스크에 90초 동안 노출시킵니다. 노출 후 웨이퍼를 섭씨 135도 핫 플레이트에 1분 동안 다시 놓습니다. 냉각이 완료되면 웨이퍼 중앙에 SUH 2050 1-2ml를 도포합니다.
웨이퍼를 스핀 코더에 다시 놓고 500RPM으로 20초 동안 회전합니다. 그런 다음 30, 1RPM으로 375초 동안 회전합니다. 스핀 코더가 회전을 멈추면 웨이퍼를 제거하고 섭씨 135도 핫 플레이트에 30분 동안 다시 놓습니다.
그런 다음 다음 단계로 이동하기 전에 웨이퍼를 실온으로 다시 냉각합니다. 두 번째 레이어의 마스크를 이전 단계에서 패턴화된 형상에 정렬하고 코팅 된 웨이퍼를 노출 후 3 분 동안 다시 한 번 자외선에 노출시키고 웨이퍼를 섭씨 135도 핫 플레이트에 1 분 동안 놓습니다. 냉각되면 웨이퍼를 프로필렌 글리콜, 모노메틸 에테르 아세테이트의 교반 욕조에 담그어 마스크를 개발했습니다.
욕조에서 30분 후 웨이퍼를 제거하고 이소프로판올로 씻습니다. 다음으로 섭씨 135도의 핫 플레이트에서 웨이퍼를 1분 동안 굽습니다. 웨이퍼를 식힌 다음 현상 된 마스터를 100mm 페트리 접시에 넣습니다.
플라스틱 컵에 실리콘 베이스 50g과 경화제 5g을 결합하여 PDMS 배치를 준비합니다. 교반 스틱이 장착된 회전 도구를 사용하여 구성 요소를 혼합한 다음 약 30분 동안 또는 모든 기포가 제거될 때까지 건조제 내부에서 혼합물의 가스를 제거합니다. 그런 다음 PDMS를 마스터 위에 3mm 두께로 붓습니다.
그런 다음 추가 가스 제거를 위해 페트리 접시를 건조제에 넣습니다. 거품이 모두 제거되면 장치를 섭씨 60도에서 2시간 동안 굽습니다. 메스를 사용하여 금형에서 PDMS 장치를 절단하고 패턴 면이 위를 향하도록 하여 깨끗한 표면에 놓습니다.
그런 다음 면도날로 PDMS를 반으로 잘라 마스터 원이 각인시킨 50마이크로미터 유체 처리 형상이 포함된 조각에서 장치의 양면을 분리합니다. 유체 흡입구와 배출구를 0.75mm 생검 펀치로 펀칭합니다. 다음으로, 패턴이 있는 면이 위로 향하게 하는 PDMS 조각을 플라즈마 챔버 플라즈마에 놓습니다.
300와트 플라즈마 클리너에서 60초 동안 1밀리바의 산소 플라즈마로 장치를 처리합니다. 그런 다음 샘플을 제거하고 담금질되지 않은 PDMS 조각의 표면을 DI 물 한 방울로 적셔 임시 윤활제 역할을 하는 동안 실체 현미경을 통해 장치를 봅니다. 플라즈마 처리된 표면을 함께 놓고 기계적 잠금이 이루어질 때까지 표면을 밉니다.
오목한 프레임과 돌출된 프레임이 짝을 이루면 조립되면 장치를 섭씨 60도의 오븐에 넣고 이틀 동안 굽혀 물을 증발시키고 접착을 완료합니다. 그런 다음 경화되지 않은 PDMS 몇 방울을 사용하여 조립된 장치를 유리 슬라이드에 부착하고 섭씨 60도의 오븐에서 1시간 동안 구조물을 굽습니다. PDMS 장소를 치료하기 위해 도립 현미경 무대의 미세 유체 칩은 최소 100 마이크로 초의 셔터 속도를 낼 수있는 디지털 카메라와 결합되었습니다.
다음으로, 3개의 10ml 주사기를 주사기 펌프에 장착하고 각각에 27게이지 바늘을 부착합니다. 각 바늘에 약 30cm의 PE 2 개의 튜브를 부착하고 튜브의 느슨한 끝을 장치의 적절한 펀칭 구멍에 삽입합니다. 그런 다음 10cm 길이의 PE 2를 장치의 출구 포트에 삽입하고 다른 쪽 끝을 폐기물 수거 용기에 넣습니다.
설정이 완료되면 주사기 펌프를 빠른 속도로 실행하여 장치를 프라이밍합니다. 펌프를 멈춥니다. 튜빙 세그먼트의 유체가 장치의 입구 포트에 도달하면 50 x 50 마이크로미터 오리피스가 포함된 칩 영역에 현미경의 초점을 맞추고 다운스트림 출구 채널을 포함하도록 프레임을 조정합니다.
실린지 펌프를 설정하여 내부 단계의 경우 시간당 250마이크로리터, 중간 단계의 경우 시간당 100마이크로리터, 시간당 700마이크로리터의 유속으로 이중 에멀젼 발생기에 유체를 전달하도록 합니다. 연속 단계의 경우. 시스템이 평형을 이룰 때까지 10분 동안 기다립니다.
다음으로, 외부 위상의 유속을 시간당 1050 마이크로 리터로 증가시킵니다. 이중 에멀젼 생성이 이 일련의 흐름 조건에서 안정화될 때까지 추가로 3-5분 정도 기다립니다. 안정화되면 30Hz에서 5초 분량의 비디오 이미지를 획득합니다.
수동 이미지 분석을 통해 오프라인 처리를 위해 비디오를 저장합니다. 이 과정을 반복하면서 함께 제공되는 텍스트 프로토콜의 표 1에 있는 값을 사용하여 외부 위상의 유속을 변경합니다. 내부 및 중간 단계의 속도를 유지하십시오.
이 과정에서 이중 에멀젼 장치는 다양한 흐름 조건에서 테스트되었습니다. 다양한 크기의 모노 분산 이중 에멀젼의 형성을 입증하기 위해 내부 및 중간 상의 합에 대한 연속상의 비율이 각 이미지 위에 표시되어 있습니다. select flow ratio에 대한 액적 지름의 히스토그램은 생성된 액적 크기의 상대적 균일성을 보여줍니다.
그 결과 생성된 이중 에멀젼은 5.2%의 평균 직경 계수 변화를 생성합니다.이 장치는 오리피스 너비보다 훨씬 작은 이중 에멀젼을 형성할 수 있는 능력을 보여주며 유동 비율이 증가함에 따라 명확한 감소 추세를 보여줍니다. 가장 높은 캐리어 상 흐름에서 14 마이크로 미터 이중 에멀젼이 개발 후 50 x 50 마이크로 미터 오리피스를 사용하여 형성되었습니다. 이 기술은 화학 및 생물학 조사자가 표준 유세포 분석 검출 플랫폼과 호환되는 액적 미세유체역학 실험을 수행할 수 있는 길을 열어줍니다.
이 비디오를 시청한 후에는 간단한 모든 PDMS 구성 기술을 사용하는 미세유체 이중 에멀젼 발생기를 제작하고 테스트하는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.
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개요
이 기사는 이중 유화를 생성하도록 설계된 모든 폴리디메틸실록산(PDMS) 미세유체 장치의 제작 및 테스트를 설명합니다. 이 장치는 동축 흐름 집중을 활용하여 특수 표면 처리가 필요 없어 생산 공정을 단순화합니다.
주요 연구 구성 요소
과학 분야
- 미세유체학
- 유화 생성
- 소프트 리소그래피
배경
- 이중 유화는 화학 및 생물학의 다양한 응용에서 중요합니다.
- 전통적인 방법은 복잡한 제작 기술과 표면 처리를 필요로 합니다.
- PDMS의 사용은 더 쉽고 효율적인 장치 제작을 가능하게 합니다.
- 동축 흐름 집중은 이중 유화 생성의 핵심 기술입니다.
연구 목적
- 이중 유화를 생산하는 단순화된 방법을 개발합니다.
- 생화학 응용에서의 고처리량 스크리닝을 용이하게 합니다.
- 효소의 유도 진화 및 희귀 표현형의 식별을 가능하게 합니다.
사용된 방법
- AutoCAD 소프트웨어를 사용한 미세유체 구조 설계.
- 고해상도로 회로 기판 필름에 디자인 인쇄.
- 장치 제작을 위한 실리콘 웨이퍼에 SU-8 포토레지스트 도포.
- PDMS 이중 유화 생성기의 성능 테스트.
주요 결과
- PDMS 장치는 14 µm까지 이중 유화를 성공적으로 생성했습니다.
- 제작 공정이 전통적인 방법에 비해 간소화되었습니다.
- 장치는 고처리량 응용 가능성을 보였습니다.
- 결과는 안정적인 이중 유화 생성의 효과성을 나타냅니다.
결론
- 모든 PDMS 이중 유화 생성기는 복잡한 장치의 실행 가능한 대안입니다.
- 이 방법은 화학 및 생물학 연구 능력을 크게 향상시킬 수 있습니다.
- 미래 응용 분야는 효소 진화 및 표현형 식별을 포함할 수 있습니다.
자주 묻는 질문
Executive Industry Relevance
This PDMS microfluidic device enables rapid, high-throughput generation of uniform double emulsions for biochemical screening applications. By eliminating complex fabrication and surface treatments, it supports scalable workflows in enzyme evolution and rare phenotype identification. The technology enhances predictive confidence in early discovery by providing reproducible, droplet-based assay systems compatible with flow cytometry detection.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of therapeutic hypotheses through controlled microenvironment generation for enzyme screening.
- Operational Value: Supports ultra-high throughput screening by producing monodisperse double emulsions at defined flow rates.
- Predictive Value: Facilitates lead identification by allowing screening of rare phenotypes in isolated aqueous compartments.
Screening & Assay Development
- Assay Readiness: Generates standardized double emulsions from 14 µm to 50 µm for consistent biochemical reactions.
- Reproducibility: Demonstrates low coefficient of variation (5.2%) in droplet size across flow conditions.
- Platform Compatibility: Produces emulsions suitable for downstream analysis via standard flow cytometry platforms.
Translational & Preclinical Research
- Translational Continuity: Enables screening workflows that bridge target validation to preclinical candidate evaluation.
- Mechanistic De-risking: Allows functional assessment of enzyme variants in confined aqueous phases to reduce false positives.
- Scalability: Uses robust, large channels resistant to fouling for sustained screening campaigns.
Pipeline & Workflow Integration
The device fits within the discovery continuum from target validation through lead identification, supporting assay development and screening readiness.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing by enabling compartmentalized biochemical reactions in double emulsions.
- Screening: Provides assay-ready droplet generation with quantitative size control for compound or variant evaluation.
- Analytics: Yields measurable outputs (droplet diameter, uniformity) for comparing screening conditions.
- Translational Research: Connects early screening hits to preclinical validation through standardized emulsion-based assays.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable microfluidic platform adaptable to various screening targets without re-fabrication.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in target validation through reproducible microenvironment control.
- Operational Value: Enables standardization and scalability of emulsion-based assays across projects.
- Strategic Value: Improves go/no-go decisions by reducing biological false hits in high-throughput screens.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of enzyme variants or chemical leads based on screening fidelity.
Implementation Considerations
- Requires expertise in microfluidic design and soft lithography fabrication.
- Depends on access to plasma bonding equipment and precision syringe pumps.
- Necessitates standardization of fluidic connections and tubing across teams.
- Adaptation to different viscosities or surfactants may require flow rate re-optimization.
- Practical limitation: Device performance depends on precise flow rate control and orifice alignment.
